圧力分布解析に基づくナノ細孔内気液共存状態の非平衡輸送の解明

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ナノ細孔内の流体の輸送特性を調べることはナノデバイスの設計に対して重要な知見となる．圧力勾配によって駆動されるナノ細孔内の水滴の輸送特性を調べる場合，水滴の内外の圧力と液滴の運動の間の関係を明らかにする必要がある．本研究では，古典分子動力学シミュレーションの方法を用いてシリンダー状細孔内の水の気液共存状態における圧力の空間分布を計算するプログラムを開発した．希薄気体部分や液体の内部のみならず固体壁面・ 3 相接触線近傍の圧力分布も計算することが可能である．本年度は圧力勾配の無い平衡状態において，水蒸気と水滴の 2 相共存状態の飽和蒸気圧を計算した．内径 2-5 nm をもつ疎水性・中間のぬれ性・親水性のシリンダー状細孔の内部の共存状態を対象とし， 80-135 ns にわたってシミュレーションを実行した．得られた飽和蒸気圧を Kelvin 方程式による見積もりと比較したところ，直径 4-5 nm の場合，疎水性シリンダー内の飽和蒸気圧は見積もりよりも大きく，中間のぬれ性および親水性シリンダー内の飽和蒸気圧は見積もりと一致することが明らかになった．シミュレーションと Kelvin 方程式による見積もりとの間の差の原因を探るために，水蒸気の流束解析および水滴の表面形状解析を行った．また，直径 2 nm の場合，水分子が一様に分布している部分が存在しないことを確認し，一様分布の仮定された Kelvin 方程式による見積もりは困難であることが示唆された．